최근 러시아 과학원 응용물리학연구소는 극광 기반 대형 과학 장치 연구 프로그램인 eXawatt 극광 연구 센터(XCELS)를 도입했습니다.고출력 레이저. 이 프로젝트에는 다음과 같은 건물의 건설이 포함됩니다.고출력 레이저대구경 인산이중수소칼륨(DKDP, 화학식 KD2PO4) 결정의 광학 파라메트릭 처프 펄스 증폭 기술을 기반으로 하며 총 출력은 600PW 피크 전력 펄스로 예상됩니다. 이 작업은 XCELS 프로젝트와 해당 레이저 시스템에 대한 중요한 세부 정보와 연구 결과를 제공하고 초강력 광장 상호 작용과 관련된 응용 프로그램과 잠재적 영향을 설명합니다.
XCELS 프로그램은 최대 전력 달성이라는 초기 목표를 가지고 2011년에 제안되었습니다.원자 램프펄스 출력은 200PW이며 현재 600PW로 업그레이드되었습니다. 그것은레이저 시스템세 가지 핵심 기술을 사용합니다.
(1) 기존 처프 펄스 증폭(Chirped Pulse Amplification, OPCPA) 대신 광학 파라메트릭 처프 펄스 증폭(Optical Parametric Chirped Pulse Amplification, OPCPA) 기술이 사용됩니다. CPA) 기술;
(2) DKDP를 이득 매체로 사용하면 910nm 파장 근처에서 초광대역 위상 정합이 실현됩니다.
(3) 수천 줄의 펄스 에너지를 갖는 대구경 네오디뮴 유리 레이저를 사용하여 파라메트릭 증폭기를 펌핑합니다.
초광대역 위상 정합은 많은 결정에서 널리 발견되며 OPCPA 펨토초 레이저에 사용됩니다. DKDP 결정은 실제로 수십 센티미터의 조리개까지 성장할 수 있고 동시에 다중 PW 출력의 증폭을 지원하는 허용 가능한 광학 품질을 갖는 유일한 재료이기 때문에 사용됩니다.레이저. ND 유리 레이저의 이중 주파수 광으로 DKDP 결정을 펌핑할 때, 증폭된 펄스의 캐리어 파장이 910 nm이면 파동 벡터 불일치의 테일러 확장의 처음 세 항이 0인 것으로 나타났습니다.
그림 1은 XCELS 레이저 시스템의 개략적인 레이아웃입니다. 프런트 엔드에서는 중앙 파장이 910nm(그림 1의 1.3)이고 1054nm 나노초 펄스가 OPCPA 펌핑 레이저(그림 1의 1.1 및 1.2)에 주입된 처프된 펨토초 펄스를 생성했습니다. 프런트 엔드는 또한 이러한 펄스의 동기화뿐만 아니라 필요한 에너지 및 시공간 매개변수도 보장합니다. 더 높은 반복률(1Hz)에서 작동하는 중간 OPCPA는 처프된 펄스를 수십 줄(그림 1의 2)로 증폭합니다. 펄스는 부스터 OPCPA에 의해 단일 킬로줄 빔으로 추가 증폭되고 12개의 동일한 하위 빔(그림 1의 4개)으로 나뉩니다. 최종 12개의 OPCPA에서 12개의 처프된 광 펄스 각각은 킬로줄 수준(그림 1의 5)으로 증폭된 다음 12개의 압축 격자(그림 1의 GC 6)로 압축됩니다. 음향 광학 프로그래밍 가능 분산 필터는 가능한 가장 작은 펄스 폭을 얻기 위해 그룹 속도 분산과 고차 분산을 정밀하게 제어하기 위해 프런트 엔드에 사용됩니다. 펄스 스펙트럼은 거의 12차 초가우스 형태를 가지며, 최대값의 1%에서의 스펙트럼 대역폭은 150nm이며 이는 푸리에 변환 한계 펄스 폭 17fs에 해당합니다. 불완전한 분산 보상과 파라메트릭 증폭기의 비선형 위상 보상의 어려움을 고려하면 예상되는 펄스 폭은 20fs입니다.
XCELS 레이저는 2개의 8채널 UFL-2M 네오디뮴 유리 레이저 주파수 배가 모듈(그림 1의 3개)을 사용하며, 그 중 13개 채널은 부스터 OPCPA와 12개 최종 OPCPA를 펌핑하는 데 사용됩니다. 나머지 3개 채널은 독립적인 나노초 킬로줄 펄스로 사용됩니다.레이저 소스다른 실험을 위해. DKDP 결정의 광학적 항복 임계값에 의해 제한되며 펌핑된 펄스의 조사 강도는 각 채널에 대해 1.5GW/cm2로 설정되고 지속 시간은 3.5ns입니다.
XCELS 레이저의 각 채널은 50PW 출력의 펄스를 생성합니다. 총 12개 채널은 총 600PW의 출력을 제공합니다. 주 타겟 챔버에서 이상적인 조건에서 각 채널의 최대 포커싱 강도는 F/1 포커싱 요소가 포커싱에 사용된다고 가정할 때 0.44×1025 W/cm2입니다. 압축 후 기술을 통해 각 채널의 펄스를 2.6fs로 추가로 압축하면 해당 출력 펄스 전력은 2.0×1025W/cm2의 광도에 해당하는 230PW로 증가합니다.
더 큰 광 강도를 달성하기 위해 600 PW 출력에서 12개 채널의 광 펄스는 그림 2와 같이 역쌍극자 방사선의 기하학적 구조에 집중됩니다. 각 채널의 펄스 위상이 고정되지 않으면 초점 강도가 가능합니다. 9×1025 W/cm2에 도달합니다. 각 펄스 위상이 고정되고 동기화되면 일관된 결과 광 강도는 3.2×1026 W/cm2로 증가합니다. XCELS 프로젝트에는 주요 목표실 외에도 최대 10개의 사용자 실험실이 포함되어 있으며 각 실험실은 실험을 위해 하나 이상의 빔을 수신합니다. XCELS 프로젝트는 이 극도로 강한 광장을 사용하여 네 가지 범주의 실험을 수행할 계획입니다. 입자의 생성 및 가속; 2차 전자기 복사의 발생; 실험실 천체물리학, 고에너지 밀도 공정 및 진단 연구.
무화과. 2 주 타겟 챔버의 포커싱 지오메트리. 명확성을 위해 빔 6의 포물선 거울은 투명으로 설정되고 입력 및 출력 빔에는 두 개의 채널 1과 7만 표시됩니다.
그림 3은 실험 건물 내 XCELS 레이저 시스템의 각 기능 영역의 공간 레이아웃을 보여줍니다. 전기, 진공 펌프, 수처리, 정화 및 에어컨은 지하에 있습니다. 총 건축 면적은 24,000m2 이상입니다. 총 전력 소비량은 약 7.5MW이다. 실험 건물은 내부가 비어 있는 전체 프레임과 외부 섹션으로 구성되어 있으며, 각각은 두 개의 분리된 기초 위에 건설되었습니다. 진공 및 기타 진동 유도 시스템은 진동 격리 기초 위에 설치되어 기초 및 지지대를 통해 레이저 시스템에 전달되는 교란의 진폭이 주파수 범위에서 10-10g2/Hz 미만으로 감소됩니다. 1~200Hz. 또한 레이저 홀에는 측지 기준 마커 네트워크가 설치되어 지면과 장비의 드리프트를 체계적으로 모니터링합니다.
XCELS 프로젝트는 극도로 높은 피크 출력의 레이저를 기반으로 하는 대규모 과학 연구 시설을 만드는 것을 목표로 합니다. XCELS 레이저 시스템의 한 채널은 1024W/cm2보다 몇 배 더 높은 집중된 광 강도를 제공할 수 있으며, 압축 후 기술을 사용하면 이 강도를 1025W/cm2까지 더 초과할 수 있습니다. 레이저 시스템의 12개 채널에서 쌍극자 포커싱 펄스를 사용하면 압축 후 및 위상 고정 없이도 1026W/cm2에 가까운 강도를 얻을 수 있습니다. 채널 간 위상 동기화가 잠기면 광도가 몇 배 더 높아집니다. 이러한 기록적인 펄스 강도와 다중 채널 빔 레이아웃을 사용하여 미래의 XCELS 시설은 매우 높은 강도, 복잡한 광 필드 분포로 실험을 수행하고 다중 채널 레이저 빔과 2차 방사선을 사용하여 상호 작용을 진단할 수 있습니다. 이는 초강력 전자기장 실험물리학 분야에서 독특한 역할을 하게 될 것입니다.
게시 시간: 2024년 3월 26일